2024年10期
模型建构在生物学科大概念教学中的应用研究
【关键词】 ；
【正文】 摘 要：生物学教学中，教师常专注于对碎片化知识点的讲授，忽略了知识的整体性、可迁移性、建构性。因此，以大概念为锚点，通过模型建构进行生物学科教学显得尤为重要。模型又分为物理模型、数学模型、图示图表模型和概念模型，从这四种模型入手，开展在生物学科大概念教学中的应用研究。建构物理模型，引导学生领悟生命观念；建构数学模型，帮助学生理解生命规律；建构图示图表模型，简化知识要点；建构概念模型，促进学生思维迁移。
关键词：模型建构；大概念；生物学教学
普通高中生物学课程标准（2017年版），对生物学教学提出了新的要求，要求教师重视以大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为导向，使课程内容情境化，落实学科核心素养。另外，一个大概念又由若干个重要概念组成，每个重要概念又包含有具体的学习目标，必修课程与选择性必修课程共包含10个生物学科大概念。如细胞是生物体结构与生命活动的基本单位；细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖等。可见，围绕大概念开展教学活动已成趋势。生物学科大概念是生物学的基础、精髓和灵魂，是位于学科中心的核心概念，能提炼本学科的重要价值并展示生物学科本质。科学大概念还是一种科学知识模型，是有组织、有结构的模型。以模型作为知识之间以及知识与真实世界的联结点，构建模型可以有效开展大概念教学活动，切实提高学生的核心素养。
一、模型建构的内涵与意义
模型是由元素、关系、操作以及控制其相互作用的规则组成的概念系统。模型又分为物理模型、数学模型、图示图表模型和概念模型。物理模型通常指的是实物、装置以及一些等比例制作的模型。数学模型指的是用数学方程式或图表描述两个事物之间或一个系统的数学关系、性质的模型。图示图表模型指的是用图形或图表来描述所要表述概念的一种模型。概念模型指的是用文字表述的方式如概念图、概念框架图等抽象概括出事物本质特征的模型。总的来说，模型能够简化繁杂知识、突出要点知识、形象展示知识，通过建构模型能帮助学生掌握并理解所学重难点知识。大概念教学领域的模型建构就是，先从具体问题中提取知识进行加工，再依据提取的知识建构生物模型，从而抓住事物的本质获取抽象原理，理解并掌握大概念，促进学生思维迁移，培养生物核心素养。
二、大概念教学领域的模型建构
（一）建构物理模型，领悟生命观念
物理模型是用实物、图片或等比例制作的装置直观性地表达所要认识对象的特征。在生物学中，物理模型有DNA双螺旋结构模型、演示生物细胞结构的模型等。以“DNA分子的结构”为例，学生先搜集并阅读关于DNA分子结构的资料，再以小组合作的方式进行探究性学习，重现建构DNA分子双螺旋结构模型的历程。以一个问题“DNA为何能确定一个人的身份？”导入新课，学生对DNA分子的结构产生好奇。教师以动画演示的方式带领学生一起分析DNA的结构，从DNA基本单位即脱氧核糖核苷酸开始，建构DNA单链，再到其平面双链，最后形成DNA立体空间结构。学生在了解DNA的基本结构之后，以小组合作的方式，利用事先准备的一些材料组建DNA模型，最后各小组派代表进行展示。学生通过动手组建DNA结构模型，能深刻掌握并记忆DNA分子的结构及组成，而DNA结构又决定其功能，进而明白DNA是通过复制、转录、翻译等过程传递遗传信息的，最终获得更深层次的大概念即生物性状由遗传信息控制，并传给一代又一代。
从“具体的生物现象”到提取“抽象原理”建构物理模型，以DNA模型为依托习得生物性状由遗传信息所控制的大概念，从“抽象原理”再到“具体问题”，将获得的知识最终应用于日常生活中。学生通过自主建构DNA结构模型，能够深刻理解DNA分子的结构与遗传功能息息相关，并领悟功能与结构相适应的生命观念。
（二）建构数学模型，理解生命规律
数学模型是指用数学方程式或图表描述一个系统的数学关系和性质的模型。在生物学中，数学模型有酶活性随着温度或PH变化的曲线、种群数量变化的曲线等。以数学模型为媒介，帮助学生从繁多的生物现象中理解生命规律。以“种群数量的变化”为例，引导学生观察某种生物繁殖情况，以小组合作的方式各组分别建构一个数学模型，再用该模型来理解生物变化情况。教师先展示细菌分裂的视频，学生发出疑问“该细菌能无限繁殖吗？”，随后分小组进行讨论并尝试用几种数学语言如表格、方程式、曲线等表征种群的数量变化情况。设置起初种群数量为N0，当外界处于理想状态（食物空间条件充裕，条件适宜，没有天敌等），发现一年后该细菌种群数量为第一年的λ倍即N1=N0×λ，两年后该细菌种群数量N2=N0×λ2，则n年后该细菌种群数量Nn=N0×λn，以此为基础建构数学模型曲线，即“J”型曲线（如图1）。根据该数学模型，学生尝试解释种群的数量改变情况，理解生物群落是不同种群的生物在长期适应环境和彼此相互适应的过程中形成的，从而获得相关大概念——生态系统中各种各样的成分会相互影响并自我调节，保证生态系统处于一个有规律且相对稳定的状态。
图1 种群数量的“J”型曲线
学生运用表格、方程式、曲线等几种数学语言对细菌的种群数量变化情况进行分析，能明白种群的变化关系并建构数学模型。根据该数学模型，学生能够理解种群变化的规律，并应用于相关生产实践活动中，完成大概念从“具体—抽象—具体”的生成，实现库伯所说的“准备—建构—应用”的学习圈。
（三）建构图示图表模型，简化知识要点
图示图表模型是用图形或图表的形式来描述所要表述概念的一种模型。在生物学中，有细胞分裂变化的图示模型、比较主动运输和被动运输特点的图表模型等。以“比较主动运输和被动运输的特点”为例，学生先搜集相关资料，注意从资料中提取关键知识要点，以小组合作的方式进行探究性学习并建构图表模型。根据物质穿过人工无蛋白质的脂双层膜的资料，发现如氧气、甘油、二氧化碳等小分子物质很容易通过细胞膜的磷脂双分子层，此过程是自由扩散。而如葡萄糖等较大的分子或一些离子则需要一些特殊的镶嵌在膜上的蛋白质协助，才能够从高浓度一侧运输到低浓度一侧，这样的过程称为协助扩散。还有钠钾钙等离子，不能顺着物质浓度梯度通过细胞膜，它们需要载体蛋白以及细胞内化学反应释放的能量才能从低浓度一侧运往高浓度一侧，此过程称为主动运输。通过图表的形式很容易比较出被动运输和主动运输的区别与联系，学生能够明白一些物质不需要另外供给能量就能顺着浓度梯度进出细胞，一些物质需要载体蛋白甚至还需要能量才能进出细胞。进而理解一个重要概念，即物质进出细胞有被动运输、主动运输等方式，通过控制物质的进出使得细胞的代谢活动正常进行。最终指向大概念的生成，即能量和营养物质维持细胞的生存，细胞各部分结构要相互协调、分工合作，才能使得细胞的各项生命活动正常进行。
运用图表模型可以简化繁琐的知识，提取关键信息要点，学生能清晰地比较出物质主动运输和被动运输的特点。从一些物质跨膜运输的例子中，抽象概括出一个图表模型，有助于学生明白知识之间的联系与区别，简化了知识要点并进一步理解大概念的含义，不断巩固理解大概念才能扩展大概念，并将其更好地应用于日常生活中。
表1 物质主动运输和被动运输的比较
（四）建构概念模型，促进思维迁移
概念模型是用文字表述的方式如概念图、概念框架图、思维导图等抽象概括出事物本质特征的模型，常用于各类复习课中。以“基因控制蛋白质合成”为例，引导学生通过合作探究的方式分析教材，并理解蛋白质合成过程，构建蛋白质合成过程的概念模型。学生观察相关课本插画并提出一些疑问，如“真核细胞转录的主要场所是在哪呢？”，“DNA双链什么时候才开始转录呢？”等问题，学生分组进行讨论再派代表分享想法，教师注意引导学生归纳出转录的条件、模板、场所和遵循的原则等。在了解基因指导蛋白质合成的基本信息后，学生画蛋白质合成过程的一些简图，最后师生一起总结遗传信息转录、翻译的相关过程。通过中心法则构建概念图（如图2），理清多个知识点的内在关联，构建基因指导蛋白合成的模型，学生能够明白遗传信息指导蛋白质合成，并理解DNA分子编码从亲代传给子代的遗传信息，从而获得更深层次的大概念，遗传信息能够控制生物一代又一代相传的生物性状。
学生自己动手画遗传信息转录和翻译的简图，能充分发挥学生的主动性。建构相关概念模型，不仅清晰呈现了基因指导蛋白质合成的情况，还简化了繁琐的知识，有助于学生理清概念之间的关系，形成完整的、系统的知识体系，从而掌握更深层次的大概念，促进学生思维的迁移和科学素养的提高。
图2 基因指导蛋白质合成的概念模型
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2-3.
[2]王景花.基于生物学学科“大概念”的教学策略[J].生物学教学，2019，44（05）：19-21.
[3]韦钰.以大概念的理念进行科学教育[J].人民教育，2016（01）：41-45.
[4]陈凯，陈博，周宏.基于Netlogo的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育，2010（01）：94-97.
[5]郝琦蕾，姚灿.基于核心素养的高中生物模型建构教学研究[J].教学与管理，2019（12）：111-113.
关键词：模型建构；大概念；生物学教学
普通高中生物学课程标准（2017年版），对生物学教学提出了新的要求，要求教师重视以大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为导向，使课程内容情境化，落实学科核心素养。另外，一个大概念又由若干个重要概念组成，每个重要概念又包含有具体的学习目标，必修课程与选择性必修课程共包含10个生物学科大概念。如细胞是生物体结构与生命活动的基本单位；细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖等。可见，围绕大概念开展教学活动已成趋势。生物学科大概念是生物学的基础、精髓和灵魂，是位于学科中心的核心概念，能提炼本学科的重要价值并展示生物学科本质。科学大概念还是一种科学知识模型，是有组织、有结构的模型。以模型作为知识之间以及知识与真实世界的联结点，构建模型可以有效开展大概念教学活动，切实提高学生的核心素养。
一、模型建构的内涵与意义
模型是由元素、关系、操作以及控制其相互作用的规则组成的概念系统。模型又分为物理模型、数学模型、图示图表模型和概念模型。物理模型通常指的是实物、装置以及一些等比例制作的模型。数学模型指的是用数学方程式或图表描述两个事物之间或一个系统的数学关系、性质的模型。图示图表模型指的是用图形或图表来描述所要表述概念的一种模型。概念模型指的是用文字表述的方式如概念图、概念框架图等抽象概括出事物本质特征的模型。总的来说，模型能够简化繁杂知识、突出要点知识、形象展示知识，通过建构模型能帮助学生掌握并理解所学重难点知识。大概念教学领域的模型建构就是，先从具体问题中提取知识进行加工，再依据提取的知识建构生物模型，从而抓住事物的本质获取抽象原理，理解并掌握大概念，促进学生思维迁移，培养生物核心素养。
二、大概念教学领域的模型建构
（一）建构物理模型，领悟生命观念
物理模型是用实物、图片或等比例制作的装置直观性地表达所要认识对象的特征。在生物学中，物理模型有DNA双螺旋结构模型、演示生物细胞结构的模型等。以“DNA分子的结构”为例，学生先搜集并阅读关于DNA分子结构的资料，再以小组合作的方式进行探究性学习，重现建构DNA分子双螺旋结构模型的历程。以一个问题“DNA为何能确定一个人的身份？”导入新课，学生对DNA分子的结构产生好奇。教师以动画演示的方式带领学生一起分析DNA的结构，从DNA基本单位即脱氧核糖核苷酸开始，建构DNA单链，再到其平面双链，最后形成DNA立体空间结构。学生在了解DNA的基本结构之后，以小组合作的方式，利用事先准备的一些材料组建DNA模型，最后各小组派代表进行展示。学生通过动手组建DNA结构模型，能深刻掌握并记忆DNA分子的结构及组成，而DNA结构又决定其功能，进而明白DNA是通过复制、转录、翻译等过程传递遗传信息的，最终获得更深层次的大概念即生物性状由遗传信息控制，并传给一代又一代。
从“具体的生物现象”到提取“抽象原理”建构物理模型，以DNA模型为依托习得生物性状由遗传信息所控制的大概念，从“抽象原理”再到“具体问题”，将获得的知识最终应用于日常生活中。学生通过自主建构DNA结构模型，能够深刻理解DNA分子的结构与遗传功能息息相关，并领悟功能与结构相适应的生命观念。
（二）建构数学模型，理解生命规律
数学模型是指用数学方程式或图表描述一个系统的数学关系和性质的模型。在生物学中，数学模型有酶活性随着温度或PH变化的曲线、种群数量变化的曲线等。以数学模型为媒介，帮助学生从繁多的生物现象中理解生命规律。以“种群数量的变化”为例，引导学生观察某种生物繁殖情况，以小组合作的方式各组分别建构一个数学模型，再用该模型来理解生物变化情况。教师先展示细菌分裂的视频，学生发出疑问“该细菌能无限繁殖吗？”，随后分小组进行讨论并尝试用几种数学语言如表格、方程式、曲线等表征种群的数量变化情况。设置起初种群数量为N0，当外界处于理想状态（食物空间条件充裕，条件适宜，没有天敌等），发现一年后该细菌种群数量为第一年的λ倍即N1=N0×λ，两年后该细菌种群数量N2=N0×λ2，则n年后该细菌种群数量Nn=N0×λn，以此为基础建构数学模型曲线，即“J”型曲线（如图1）。根据该数学模型，学生尝试解释种群的数量改变情况，理解生物群落是不同种群的生物在长期适应环境和彼此相互适应的过程中形成的，从而获得相关大概念——生态系统中各种各样的成分会相互影响并自我调节，保证生态系统处于一个有规律且相对稳定的状态。
图1 种群数量的“J”型曲线
学生运用表格、方程式、曲线等几种数学语言对细菌的种群数量变化情况进行分析，能明白种群的变化关系并建构数学模型。根据该数学模型，学生能够理解种群变化的规律，并应用于相关生产实践活动中，完成大概念从“具体—抽象—具体”的生成，实现库伯所说的“准备—建构—应用”的学习圈。
（三）建构图示图表模型，简化知识要点
图示图表模型是用图形或图表的形式来描述所要表述概念的一种模型。在生物学中，有细胞分裂变化的图示模型、比较主动运输和被动运输特点的图表模型等。以“比较主动运输和被动运输的特点”为例，学生先搜集相关资料，注意从资料中提取关键知识要点，以小组合作的方式进行探究性学习并建构图表模型。根据物质穿过人工无蛋白质的脂双层膜的资料，发现如氧气、甘油、二氧化碳等小分子物质很容易通过细胞膜的磷脂双分子层，此过程是自由扩散。而如葡萄糖等较大的分子或一些离子则需要一些特殊的镶嵌在膜上的蛋白质协助，才能够从高浓度一侧运输到低浓度一侧，这样的过程称为协助扩散。还有钠钾钙等离子，不能顺着物质浓度梯度通过细胞膜，它们需要载体蛋白以及细胞内化学反应释放的能量才能从低浓度一侧运往高浓度一侧，此过程称为主动运输。通过图表的形式很容易比较出被动运输和主动运输的区别与联系，学生能够明白一些物质不需要另外供给能量就能顺着浓度梯度进出细胞，一些物质需要载体蛋白甚至还需要能量才能进出细胞。进而理解一个重要概念，即物质进出细胞有被动运输、主动运输等方式，通过控制物质的进出使得细胞的代谢活动正常进行。最终指向大概念的生成，即能量和营养物质维持细胞的生存，细胞各部分结构要相互协调、分工合作，才能使得细胞的各项生命活动正常进行。
运用图表模型可以简化繁琐的知识，提取关键信息要点，学生能清晰地比较出物质主动运输和被动运输的特点。从一些物质跨膜运输的例子中，抽象概括出一个图表模型，有助于学生明白知识之间的联系与区别，简化了知识要点并进一步理解大概念的含义，不断巩固理解大概念才能扩展大概念，并将其更好地应用于日常生活中。
表1 物质主动运输和被动运输的比较
（四）建构概念模型，促进思维迁移
概念模型是用文字表述的方式如概念图、概念框架图、思维导图等抽象概括出事物本质特征的模型，常用于各类复习课中。以“基因控制蛋白质合成”为例，引导学生通过合作探究的方式分析教材，并理解蛋白质合成过程，构建蛋白质合成过程的概念模型。学生观察相关课本插画并提出一些疑问，如“真核细胞转录的主要场所是在哪呢？”，“DNA双链什么时候才开始转录呢？”等问题，学生分组进行讨论再派代表分享想法，教师注意引导学生归纳出转录的条件、模板、场所和遵循的原则等。在了解基因指导蛋白质合成的基本信息后，学生画蛋白质合成过程的一些简图，最后师生一起总结遗传信息转录、翻译的相关过程。通过中心法则构建概念图（如图2），理清多个知识点的内在关联，构建基因指导蛋白合成的模型，学生能够明白遗传信息指导蛋白质合成，并理解DNA分子编码从亲代传给子代的遗传信息，从而获得更深层次的大概念，遗传信息能够控制生物一代又一代相传的生物性状。
学生自己动手画遗传信息转录和翻译的简图，能充分发挥学生的主动性。建构相关概念模型，不仅清晰呈现了基因指导蛋白质合成的情况，还简化了繁琐的知识，有助于学生理清概念之间的关系，形成完整的、系统的知识体系，从而掌握更深层次的大概念，促进学生思维的迁移和科学素养的提高。
图2 基因指导蛋白质合成的概念模型
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2-3.
[2]王景花.基于生物学学科“大概念”的教学策略[J].生物学教学，2019，44（05）：19-21.
[3]韦钰.以大概念的理念进行科学教育[J].人民教育，2016（01）：41-45.
[4]陈凯，陈博，周宏.基于Netlogo的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育，2010（01）：94-97.
[5]郝琦蕾，姚灿.基于核心素养的高中生物模型建构教学研究[J].教学与管理，2019（12）：111-113.
- 【发布时间】2022/4/8 20:13:29
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